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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Werkzeugmaschine gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1, mit einem Maschinengestell, an welchem ein Maschinentisch
zur Aufnahme eines Werkstücks angeordnet
ist, sowie mit einer Werkzeugeinheit, welche an einem mehrachsig
bewegbaren Trägersystem gelagert
ist.
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Der
Stand der Technik zeigt Werkzeugmaschinen oder Bearbeitungszentren,
wie beispielsweise Fräsmaschinen
in unterschiedlichsten Ausgestaltungsformen. Diesen Werkzeugmaschinen
ist im allgemeinen gemeinsam, daß ein Werkstück vollautomatisch
unter Abfolge unterschiedlichster Bearbeitungsvorgänge bearbeitbar
ist, wobei die Bearbeitung rechnergesteuert unter Verwendung unterschiedlichster
Werkzeuge erfolgt. Die Werkzeuge können selbständig gewechselt werden, es
ist weiterhin möglich,
die Werkzeuge automatisch zu vermessen und auf ihre Funktionsfähigkeit
hin zu kontrollieren. Die Werkzeugmaschinen bzw. Bearbeitungszentren
können
somit mannlos und automatisch betrieben werden.
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Hinsichtlich
der Zuführung
von Werkstücken sind
unterschiedlichste Systeme bekannt. Zum einen ist es bekannt, die
Werkstücke
manuell einzulegen. Dies erfordert einen relativ hohen Personalaufwand und
setzt voraus, daß eine
Bedienungsperson die Werkzeugmaschine beaufsichtigt. Kleinere Werkstücke können über automatische
Förderer
zugeführt werden,
beispielsweise Vibrationsförderer.
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Bei
größeren Werkstücken ist
es bekannt, diese zur automatischen Bearbeitung mit Hilfe von Robotern
der Werkzeugmaschine zuzuführen
bzw. die bearbeiteten Werkstücke
zu entnehmen. Industriell einsetzbare Roboter verfügen zwar über eine hohe
Anzahl an Freiheitsgraden und sind in unterschiedlichster Weise
programmierbar, sie erfordern jedoch einen relativ hohen Investitionsaufwand,
sowohl für
den Bau des Roboters selbst, als auch für dessen Programmierung. Und
dies insbesondere, um zu gewährleisten,
daß der
Roboter die Werkstücke
von unterschiedlichen Plätzen
eines Magazins entnehmen und in die Spannvorrichtung der Werkzeugmaschine überführen kann.
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Besonders
nachteilig ist es, daß die
Steuerung des Roboters im wesentlichen unabhängig von der Steuerung der
Werkzeugmaschine ist. Aus diesem Grunde ist es erforderlich, die
Robotersteuerung und die Werkzeugmaschinensteuerung miteinander zu
verknüpfen.
Derartige Verknüpfungen
bedingen einen hohen Programmieraufwand und sind deshalb bei kleinen
Serien und häufigem
Wechsel der Werkstücke
generell sehr hoch, insbesondere aus technischen und finanziellen
Gründen.
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Ein
weiterer, wesentlicher Nachteil bei der Verwendung von Robotern
liegt darin, daß diese,
insbesondere bei längeren
Bearbeitungszeiten einzelner Werkstücke, sehr lange Stillstandszeiten
aufweisen. Dies führt
zu einer erheblichen Erhöhung
der Bearbeitungskosten pro Werkstück.
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Um
den Nachteil einer robotergesteuerten Werkstückhandhabung zu überwinden,
wurde auch bereits vorgeschlagen, mehrere Werkstücke gleichzeitig auf dem Maschinentisch
zu spannen. Hieraus ergibt sich jedoch die Notwendigkeit eines entsprechend
großen
Arbeitsraums der Werkzeugmaschine, wodurch sich die Kosten für die Werkzeugmaschine in
unerwünschter
Weise erhöhen.
Zudem ist diese Vorgehensweise nur für kleinere Werkstücke geeignet,
das gleichzeitige Spannen größerer Werkstücke scheidet
sowohl aus Raumgründen
als auch aus technischen Gründen
aus.
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Die
DE 34 16 660 C2 beschreibt
eine Drehmaschine, bei welcher an einem horizontalen Querbett ein
vertikal verfahrbarer Spindelstock gelagert ist, der mit einem Spannfutter
für ein
Werkstück
versehen ist. Das Querbett ist seitlich verlängert, so daß es ein
Palettentransportband überragt.
Durch entsprechendes Verfahren des Spindelstocks in horizontaler
und vertikaler Richtung ist es möglich,
ein Werkstück
von dem Palettentransportband aufzunehmen, in den Bearbeitungsbereich
zu verfahren und mittels der Werkzeuge zu bearbeiten. Ein Werkstück wird
somit von dem Spindelstock aus dem Palettentransportband aufgenommen,
bearbeitet und nachfolgend wieder auf eine Palette abgelegt. Es handelt
sich bei der Bearbeitung um einen reinen Drehvorgang, das aufgenommene
Werkzeug wird somit durch die Spindel in Drehung versetzt.
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Die
DE 44 30 389 A1 beschreibt
eine Vertikaldrehmaschine. Auch bei dieser ist ein horizontal verfahrbarer
Kreuzschlitten vorgesehen, welcher an einem Maschinenbett so gelagert
ist, daß er über eine
Werkstückzufuhr
beziehungsweise über
eine Werkstückabfuhr
verfahren werden kann. Nach Aufnahme des Werkstücks durch den Kreuzschlitten wird
dieser zusammen mit dem Werkstück
zu einem Werkzeugträger
bewegt. Durch Drehung des gespannten Werkstücks mittels einer Motorspindel kann
dieses bearbeitet werden. Auch hier handelt es sich um eine reine
Drehmaschine.
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Aus
der
EP 739 681 A1 ist
eine Einrichtung zum Wechseln von Gegenständen zwischen einer Werkzeugmaschine
und einem Magazin vorbekannt. Die Werkzeugmaschine ist in Form eines
Drehautomaten ausgebildet. In den Arbeitsraum zwischen einem Werkzeugträger und
einem Spannfutter ist ein Träger
einschwenkbar, mit Hilfe dessen ein Werkstück aus einem Magazin entnommen
und an das Spannfutter übergeben
werden kann. Es handelt sich somit um einen Handhabungsroboter,
welcher der Werkzeugmaschine zugeordnet ist.
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Die
EP 0 215 209 A2 beschreibt
eine Werkzeugmaschine, welche sowohl zum Fräsen als auch zum Drehen verwendbar
ist. Bei einer Dreh-Funktion wird das Werkstück in die Spindel eingespannt,
während
das Werkzeug feststehend gehalten ist.
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Bei
einer Fräs-Funktion
nimmt die Spindel das Werkzeug auf, während das Werkstück am Arbeitstisch
der Werkzeugmaschine eingespannt ist. Unterschiedliche Werkzeuge
sind in einem Werkzeugmagazin aufgenommen. Die Werkstücke sind
in einem auf dem Arbeitstisch der Werkzeugmaschine angeordneten
Magazin enthalten und werden auf zwei unterschiedliche Arten entnommen.
Zum Durchführen
einer Dreh-Funktion entnimmt der Spindelkopf die Werkstücke direkt
aus dem Magazin, während zur
Durchführung
einer Fräs-Funktion
der Spindelkopf das Werkstück
aus dem Magazin entnimmt und in eine Halterung überführt und nachfolgend ein Werkzeug
aufnimmt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Werkzeugmaschine der
eingangs genannten Art zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau,
sicherer Anwendbarkeit und niedrigen Investitionskosten einen automatischen
Werkstückwechsel
ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Die
Unteransprüche
zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist somit
vorgesehen, daß zumindest
eine horizontale Bewegungsbahn des Trägersystems verlängert ausgebildet
ist und zum Werkstückwechsel
in den Bereich eines neben der Fräsmaschine angeordneten Werkstückmagazins
verfahrbar ist, und daß an
dem Trägersystem
an der verlängert
ausgebildeten Bewegungsbahn eine vertikale Bewegungsbahn gelagert
ist, an welcher lösbar
eine Greifereinheit zum Greifen und Transportieren des Werkstücks an der
Werkzeugeinheit angeordnet ist, wobei die Greifereinheit während eines
Bearbeitungsvorganges aus dem Arbeitsbereich der Werkzeugeinheit
bringbar ist.
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Die
erfindungsgemäße Werkzeugmaschine zeichnet
sich durch eine Reihe erheblicher Vorteile aus. Da lediglich eine
Bewegungsbahn entsprechend verlängert
werden muss, ergeben sich nur geringfügige zusätzliche konstruktive Änderungen
an der Werkzeugmaschine. Es muß an
der Werkzeugmaschine lediglich eine Bewegungsachse verlängert werden.
Weiterhin sind nur relativ einfache Aufnahmemittel für das Greifen
und Absetzen des Werkstücks
erforderlich. Auf die Verwendung eines Roboters kann gänzlich verzichtet
werden. Hierdurch ergeben sich ganz erheblich geringere Investitionskosten.
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Ein
weiterer, wesentlicher Vorteil besteht darin, daß lediglich eine einzige Steuerung
erforderlich ist, durch den Wegfall des Roboters ist es nicht erforderlich,
diesen separat zu programmieren und dessen Steuerung mit der Steuerung
und/oder Regelung der Werkzeugmaschine zu verknüpfen. Zusätzlich zu dem finanziellen
Vorteil ergibt sich ein wesentlich erhöhtes Maß an Betriebssicherheit, da
Fehlfunktionen durch softwarebedingte Fehler, wie sie durch die
Verknüpfung
der Robotersteuerung mit der Werkzeugmaschinensteuerung auftreten
können,
gänzlich
ausgeschlossen sind.
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In
einer günstigen
Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Trägersystem in Form eines Portalsystems
ausgebildet ist. Ein derartiges Portalsystem ist in der Lage, die
durch die Handhabung auch schwerer Werkstücke auftretenden Kräfte fehlerfrei
aufzunehmen.
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Besonders
günstig
ist es, daß die
horizontale Bewegungsbahn des Trägersystems
verlängert
ausgebildet ist und daß das
Werkstückmagazin
neben der Werkzeugmaschine angeordnet ist.
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Durch
die Anordnung des Werkstückmagazins
neben der Werkzeugmaschine ergibt sich ein einfacher Aufbau des
Magazins, weiterhin ist dieses frei zugänglich, so daß weitere
Handhabungsvorgänge,
beispielsweise ein automatisches Beschicken des Werkstückmagazins
oder Kontrollvorgänge
ungehindert durchgeführt
werden können.
Auch aus Kostengründen
ist ein derartiges Werkstückmagazin sehr
günstig,
da es einfach aufgebaut sein kann.
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An
der Werkzeugeinheit ist
eine Greifereinheit zum Greifen und
Transportieren eines Werkstücks
angeordnet. Diese Greifereinheit kann elektrisch, hydraulisch oder
pneumatisch betätigt
werden, der Stand der Technik zeigt unterschiedliche Lösungsmöglichkeit
von derartigen Komponenten, welche als bekannte Module im Rahmen
der Erfindung einsetzbar sind. Die Greifereinheit kann entweder
lösbar
an der Werkzeugmaschine gelagert oder befestigt sein. Diese erste
Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine gestattet
es, die Greifereinheit von dem Trägersystem zu lösen, wenn
ein Werkstück
auf dem Maschinentisch gespannt ist und bearbeitet wird. Die Greifereinheit
stört dann
nicht den eigentlichen Bearbeitungsvorgang. Alternativ hierzu ist
es auch möglich, die
Greifereinheit während
eines Bearbeitungsvorganges aus dem Arbeitsbereich der Werkzeugeinheit zu
bewegen, beispielsweise die Greifereinheit zu verschwenken oder
wegzudrehen. In allen Fällen
wird sichergestellt, daß die
Greifereinheit den Bearbeitungsvorgang nicht stört, daß sie jedoch an dem Trägersystem,
welches auch die Werkzeugeinheit nebst zugehörigen Hilfsaggregaten, beispielsweise
einer Werkzeugwechseleinrichtung trägt, gelagert ist.
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Besonders
günstig
ist es, daß die
Greifereinheit an einer vertikalen Bewegungsbahn (Z-Achse) gelagert
ist, welche ihrerseits wiederum an der horizontalen Bewegungsbahn
(Y-Achse) gelagert
ist. Die horizontale Bewegungsbahn ist bei einer Werkzeugmaschine
der beschriebenen Art üblicherweise
stets vorhanden, um die Werkzeuge zum Einsatz zu bringen. Ein zusätzlicher,
konstruktiver Aufwand besteht bei der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine
somit nicht, es ist lediglich erforderlich, die horizontale Bewegungsbahn
(Y-Achse) zu verlängern.
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Um
eine Zustellbewegung der Werkzeuge in Richtung der Z-Achse bei der Bearbeitung
des Werkstücks
zu realisieren, ist bei üblichen
Werkzeugmaschinen der zugrundeliegenden Gattung ebenfalls eine vertikale
Bewegungsbahn (Z-Achse) vorgesehen. Die im Rahmen der Erfindung
benötigte
Greifereinheit braucht somit lediglich an einem Endbereich der vertikalen
Bewegungsbahn (Z-Achse) positioniert werden.
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Durch
Verfahren längs
der vertikalen Bewegungsbahn und/oder längs der horizontalen Bewegungsbahn
ist es somit auf besonders einfache Weise möglich, die Greifereinheit dem
neben der Werkzeugmaschine aufgebauten Werkstückmagazin zuzuführen, um
Werkstücke
zu entnehmen bzw. zurückzuführen.
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Erfindungsgemäß umfaßt die Bewegungsbahn
in günstiger
Weiterbildung der Erfindung zumindest eine Führung und zumindest einen an
dieser gelagerten Schlitten. Im Rahmen der Erfindung wird unter
Führungsbahn
somit die Bewegungsrichtung, nicht jedoch die konstruktive Ausgestaltung
allein verstanden.
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Um
eine besonders kostengünstige
und einfache Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine zu erzielen,
ist es vorteilhaft, wenn die Bewegungsbahn mit zumindest einem Linearmotor versehen
ist. Auf diese Weise kann der Zugriff auf das Werkstück im Bereich
des Magazins exakt gesteuert und geregelt werden, es ergeben sich
bei einem Linearmotor nicht die von hydraulischen oder pneumatischen
Antrieben bekannten Nachteile. Dies gilt insbesondere bei einer
entsprechenden, erfindungsgemäß vorgesehenen
Verlängerung
der Bewegungsbahn, da ein Linearmotor bei einer Verlängerung
der Achse keine Einschränkungen
oder Verluste in der Dynamik aufweist. Bei Verlängerung einer Achse mit Kugelrollspindel
verliert diese erheblich an Dynamik und macht damit die gesamte
Maschine langsamer bzw. erhöht
die Bearbeitungszeit erheblich.
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Das
Werkstückmagazin
kann im Rahmen der Erfindung in unterschiedlicher Weise ausgebildet sein,
entweder als Linearmagazin oder als Karussell- oder Tellermagazin.
Weiterhin ist es möglich,
im Bereich des Magazins eine Positionierposition für die Ablage
der Greifereinheit vorzusehen, falls diese während des Bearbeitungsvorgangs
des Werkstücks von
dem Trägersystem
getrennt werden soll. In diesem Falle ist es erforderlich, mittels
des bewegbaren Trägersystems
zum Werkstückwechsel
zunächst
die Greifereinheit von ihrer Ruhe-Position zu entnehmen, bevor diese
einem Werkstück
(bearbeitet oder unbearbeitet) zugeführt wird.
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Die
erfindungsgemäße Werkzeugmaschine verwendet
lediglich eine gemeinsame Steuerungs- und/oder Regeleinheit zur
Betätigung
der horizontalen und vertikalen Bewegungsbahn sowie der Greifereinheit.
Durch diese vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist eine sehr
einfache softwaremäßige Ausgestaltung
realisierbar. Die Steuerungs- und/oder Regeleinheit
kann in günstiger
Weise sowohl die horizontale Bewegungsbahn als auch die vertikale
Bewegungsbahn steuern bzw. regeln. Weiterhin ist es möglich, mittels
der Steuerungs- und/oder Regeleinheit auch eine dritte Bewegungsbahn
(W-Achse) des Werkstückmagazins
zu steuern bzw. zu regeln. Somit ist sichergestellt, daß die Bewegungen
der Werkstücke
durch das Magazin exakt an die Bewegungsvorgänge des Trägersystems der Werkzeugmaschine angepaßt sind.
Diese Bewegung um die W-Achse kann in Form einer Linearbewegung
des Werkstückmagazins
oder in Form einer Drehung desselben erfolgen.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele in Verbindung
mit den Zeichnungen erläutert.
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Dabei
zeigt:
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1 eine
schematische, perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine
unter Verwendung eines Linear-Magazins,
und
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2 eine
vereinfachte perspektivische Darstellung, ähnlich 1, eines
Ausführungsbeispiels unter
Verwendung eines Karussell- oder Tellermagazins für die Werkstücke.
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Die
in den 1 und 2 gezeigte Werkzeugmaschine
umfaßt
ein Maschinengestell 1, an welchem Maschinentisch 2 angeordnet
ist. Dieser kann entweder ortsfest an dem Maschi nengestell vorgesehen
sein, es ist jedoch auch möglich,
den Maschinentisch längs
verfahrbar zu lagern.
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Auf
dem Maschinentisch 2 ist ein Werkstück 3 aufspannbar,
der Spannvorgang kann automatisch erfolgen, so wie dies aus dem
Stand der Technik bekannt ist.
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Das
Maschinengestell 1 lagert oberhalb des Maschinentisches 2 eine
horizontale Bewegungsbahn 4, an welcher wiederum eine vertikale
Bewegungsbahn 6 (Z-Achse) gelagert ist. Die beiden Bewegungsbahnen 4, 6 sind
Teil eines mehrachsig bewegbaren Trägersystems, mit Hilfe dessen
es möglich
ist, das Werkstück 3 mittels
nicht dargestellter Werkzeuge zu bearbeiten. Durch die Bewegungsmöglichkeiten
der beiden Bewegungsbahnen 4, 6 ist eine zweiachsige
Bearbeitung des Werkstück 3 möglich, die
dritte, zur räumlichen
Bearbeitung des Werkstücks 3 erforderliche
Bewegungsrichtung kann beispielsweise durch eine Linearbewegung
des Maschinentisches 2 realisiert werden.
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Da
unter dem Begriff Bewegungsbahn im Rahmen der Erfindung das gesamte
System verstanden wird, ergibt es sich, daß jede Bewegungsbahn über geeignete
Führungen
und zumindest einen längs
dieser Führungen
bewegbaren Schlitten verfügt.
Die Bewegung des Schlittens kann beispielsweise mittels eines Linearmotors
erfolgen. Zur Vereinfachung der Darstellung wurde darauf verzichtet, die
Führungen
und die Schlitten im einzelnen abzubilden. Gleiches gilt für die Darstellung
der Werkzeuge, der Werkzeugwechselsysteme und ähnliches. Die schematische
Darstellung der 1 und 2 zeigt
eine Träger-Säule 8,
an welcher die horizontale Bewegungsbahn 4 gelagert ist.
An dieser horizontalen Bewegungsbahn 4 ist eine vertikale
Bewegungsbahn 6 gelagert, welche in den 1 und 2 mit durchgezogenen
Linien in einer Position gezeigt ist, die zur Bearbeitung des Werkstücks 3 dient.
Die durch gestrichelte Linien dargestellte Position der vertikalen
Bewegungsbahn 6 zeigt eine Stellung, die zur Aufnahme bzw.
zum Ablegen eines Werkstücks von
einem Werkstückmagazin 5 bzw.
auf das selbe dient.
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Die 1 und 2 zeigen
weiterhin einen flexiblen Kabelschacht 9, welcher jeweils
zur Energieversorgung und Steuerung bzw. Regelung der vertikalen
Bewegungsbahn 6 dient.
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Zur
Vereinfachung der Darstellung wurde ebenfalls darauf verzichtet,
die Greifermittel zur Aufnahme der Werkstücke 3, die beispielsweise
stirnseitig an dem unteren Ende der vertikalen Bewegungsbahn 6 vorgesehen
sind, im einzelnen zu zeigen. Gleiches gilt für Spannmittel für die Werkstücke im Bereich
des Werkstückmagazins 5.
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In 1 ist
ein lineares Werkstückmagazin 5 gezeigt,
welches längs
einer Bewegungsbahn 7 (W-Achse) bewegbar ist, um die Werkstücke einzeln nacheinander
der Werkzeugmaschine zuzuführen bzw.
von dieser zu entnehmen.
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Bei
dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Karussell-
oder Tellermagazin verwendet, dessen Bewegung längs der Bewegungsbahn 7 eine Drehbewegung
ist.
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Es
versteht sich, daß die
Ausgestaltung und Anordnung der Greifereinheit in unterschiedlichster Weise
an die Geometrie der Werkstücke
angepaßt werden
kann. So ist es alternativ möglich,
die Greifereinheit entweder, wie beschrieben, an der unteren Stirnseite
der vertikalen Bewegungsbahn 6 anzubringen, oder seitlich
an dieser.
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Durch
eine relativ einfach und mit geringen Kosten realisierbare Verlängerung
einer Bewegungsbahn- der Werkzeugmaschine, in den gezeigten Ausführungsbeispielen
der horizontalen Bewegungsbahn (Y-Achse) ist es somit möglich, die
Werkstücke nicht
nur im Bereich des Maschinentisches zu bearbeiten, sondern diese
auch aus einem Werkstückmagazin 5 zu
entnehmen bzw. auf dieses nach der Bearbeitung zurückzuführen. Durch
die Verwendung einer einzigen Steuerungs- und/oder Regeleinheit
ist eine sichere, kostengünstige
Beschickung der Werkzeugmaschine sichergestellt.
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Im
Rahmen der Erfindung ist es möglich,
die Werkzeugmaschine mit unterschiedlichsten Ausgestaltungsformen
von Werkstückmagazinen
zu verknüpfen.
Die Magazine brauchen nicht, wie in den Figuren dargestellt, einstöckig sein,
es ist auch möglich,
mehrstöckige
Magazine zu verwenden, da die sechste Bewegungsbahn (Z-Achse) vertikal
verfahrbar ist, ergibt sich die Möglichkeit, in unterschiedliche Etagen
eines Werkstückmagazins
einzugreifen.
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In
einer weiteren Variante ist erfindungsgemäß die Möglichkeit gegeben, anstelle
eines reinen Werkstückmagazins
ein Transportband oder eine entsprechende Fördereinrichtung mit der Werkzeugmaschine
zu verknüpfen.
Derartige Transportbänder oder
Fördereinrichtungen
sind beispielsweise bei flexiblen Fertigungssystemen bekannt, um
mehrere Werkzeugmaschinen miteinander zu verbinden und ihnen die
Werkstücke
entsprechend zuzuführen
bzw. die bearbeiteten Werkstücke
weiterzuleiten.